自動化專業(yè)課程設(shè)計UC3842斬控式單相交流調(diào)壓電路

1、一是作為領(lǐng)導(dǎo)干部一定要樹立正確的權(quán)力觀和科學(xué)的發(fā)展觀，權(quán)力必須為職工群眾謀利益，絕不能為個人或少數(shù)人謀取私利。要立志做大事，把心思用在工作上，用在干事業(yè)上，用在為職工群眾謀利益上。領(lǐng)導(dǎo)干部只有嚴于律己，公正嚴明，職工群眾才能相信組織，好的黨風(fēng)、政風(fēng)、行風(fēng)才能樹起來。三是帶頭遵守黨的政治紀律。全體黨員干部都要嚴格遵守黨的政治紀律和組織紀律。政治紀律是根本的紀律。政治紀律遵守不好，其他方面的紀律也遵守不好。講政治紀律，就是要堅持黨的基本理論、基本路線不動搖，在政治上同黨中央保持一致，保證中央的政令暢通。黨員必須在行動上服從，決不允許公開發(fā)表同中央的決定相反的言論，決不允許散布同黨的路線方針政策相反

2、的意見，決不允許制造、傳播政治謠言，決不允許有令不行，有禁不止，搞“上有政策，下有對策”。目 錄第一章 設(shè)計總體思路1.1 交流斬波調(diào)壓的基本原理1.2 交流斬波調(diào)壓的框圖第二章 單元電路設(shè)計2.1 主電路2.2 反饋電路2.2.1 封裝2.2.2 主要參數(shù) 2.2.3 光耦采用PC8172.3 過零檢測電路2.4 控制電路第三章 故障分析與電路改進、實驗及仿真第四章 總結(jié)與體會附錄 完整的原理圖參考文獻第一章 設(shè)計總體思路交流調(diào)壓的控制方式有三種：整周波通斷控制 整周波控制調(diào)壓適用于負載熱時間常數(shù)較大的電熱控制系統(tǒng)。晶閘管導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比，使交流開關(guān)在某幾個周波連續(xù)導(dǎo)通，某幾個周波連續(xù)

3、關(guān)斷，如此反復(fù)循環(huán)地運行，其輸出電壓的波形如圖1.1所示。改變導(dǎo)通的周波數(shù)和控制周期的周波數(shù)之比即可改變輸出電壓。為了提高輸出電壓的分辨率，必須增加控制周期的周波數(shù)。為了減少對周圍通信設(shè)備的干擾，晶閘管在電源電壓過零時開始導(dǎo)通。但它也存在一些缺點那就是：在負載容量很大時，開關(guān)的通斷將引起對電網(wǎng)的沖擊，產(chǎn)生由控制周期決定的奇數(shù)次諧波，這些諧波引起電網(wǎng)電壓變化，造成對電網(wǎng)的污染。 圖1.1 整周波控制的電壓波形相位控制。相位控制調(diào)壓 利用控制觸發(fā)滯后角的方法,控制輸出電壓。晶閘管承受正向電壓開始到觸發(fā)點之間的電角度稱為觸發(fā)滯后角。在有效移相范圍內(nèi)改變觸發(fā)滯后角，即能改變輸出電壓。有效移相范圍隨負載

4、功率因數(shù)不同而不同，電阻性負載最大,純感性負載最小。圖1.2是阻性負載時相控方式的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。相控交流調(diào)壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量，當(dāng)負載是電動機時，會使電動機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗。另外它還會引起電源電壓畸變。為減少對電源和負載的諧波影響，可在電源側(cè)和負載側(cè)分別加濾波網(wǎng)絡(luò)。圖1.2相位控制的電壓波形斬波控制。斬波控制調(diào)壓使開關(guān)在一個電源周期中多次通斷，將輸入電壓切成幾個小段，用改變段的寬度或開關(guān)通斷的周期來調(diào)節(jié)輸出電壓。斬控調(diào)壓電路輸出電壓的質(zhì)量較高,對電源的影響也較小。圖1.3為斬波控制的交流調(diào)壓電路的輸出電壓波形。 在斬波控制的交流調(diào)壓電路中，為了在感性負載下提

5、供續(xù)流通路，除了串聯(lián)的雙向開關(guān)S1外，還須與負載并聯(lián)一只雙向開關(guān)S2。當(dāng)開關(guān) S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時，輸出電壓等于輸入電壓；開關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時,輸出電壓為零?？刂崎_關(guān)導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比即能控制交流調(diào)壓器的輸出電壓。開關(guān) S1、S2動作的頻率稱斬波頻率。斬波頻率越高,輸出電壓中的諧波電壓頻率越高,濾波較容易。當(dāng)斬波頻率不是輸入電源頻率的整數(shù)倍時，輸出電壓中會產(chǎn)生諧波。當(dāng)斬波頻率較低時，諧波含量較多，對負載產(chǎn)生不良的影響。將斬波信號與電源電壓鎖相，可消除諧波。斬波控制的交流調(diào)壓電路的功率開關(guān)元件必須采用功率晶體管或其他自關(guān)斷元件，所以成本較高。 圖1.3 斬波控制交流調(diào)壓電路的輸出波形斬波

6、控制方式時，晶閘管要帶有強迫關(guān)斷電路或采用IGBT、MOSFET等可自關(guān)斷器件，在每個電壓周波中，開關(guān)元件多次通斷，使電壓斬波成多個脈沖，改變導(dǎo)通比即可實現(xiàn)調(diào)壓。本課程設(shè)計采用斬控式單相交流調(diào)壓方案。 圖1.4 斬控式交流調(diào)壓電路原理圖 斬控式交流調(diào)壓電路的原理圖如圖1.4所示，一般采用全控型器件作為開關(guān)器件。其基本原理和直流斬波電路有類似之處，只是直流斬波電路的輸入是直流電壓，而斬控式交流調(diào)壓電路的輸入是正弦交流電壓。在圖1.4斬控式交流調(diào)壓電路流電源u1的正半周，用V1進行斬波控制，用V3給負載電流提供續(xù)流通道；在u1的負半周，用V2進行斬波控制，用V4 給負載電流提供續(xù)流通道。設(shè)載波器件

7、（V1或V2）導(dǎo)通時間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比a=ton/T。和直流斬波電路一樣，也可以通過改變a來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖1.4給出了電阻性負載時負載電壓u0和電源電流i1(也就是負載電流)的波形?？梢钥闯?，電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1。另外，通過傅里葉級數(shù)分析可知，電源電流中不含低次諧波，只含和開關(guān)周期 T有關(guān)的高次諧波。這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。這時電路的功率因數(shù)接近1。交流經(jīng)過濾波后電流經(jīng)過主電路由Q1、Q2、Q3組成。D1和Q2以及Q1和D2是用來實現(xiàn)電流續(xù)流的。當(dāng)在電流的正半周的時候Q2導(dǎo)通，然后通過D1續(xù)流。當(dāng)在負半周的時候就可以實現(xiàn)續(xù)流功能。

8、Q3是用于調(diào)節(jié)電流的開通和斷開的也就是UC3842所產(chǎn)生的PWM波形是在Q3上體現(xiàn)出來的。通過調(diào)節(jié)占空比使輸出電壓降低，以實現(xiàn)調(diào)壓的目的。但是為了實現(xiàn)實時的控制電壓的輸出故采用閉環(huán)控制，在輸出端接有變壓器和整流電路，再通過電阻的分壓給TL431提供一個電壓，然后和內(nèi)部的參考電壓2.5V進行比較，以控制光偶的發(fā)光二極管的發(fā)光，光耦是實現(xiàn)電路的隔離。UC3842的2腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度。1.1 交流斬波調(diào)壓的基本原理交流斬波調(diào)壓的原理波形如圖1.5所示。由圖可知，它是用一組頻率恒定、占空比可調(diào)的脈沖，對正弦波電壓

9、進行調(diào)制后，得到邊緣為正弦波、占空比可調(diào)的電壓波形。該電壓的調(diào)制頻率f0，其基本諧波頻率為土50Hz。改變占空比，即可改變輸出電壓。 利用具有自關(guān)斷能力的電力半導(dǎo)體器件就可方便地構(gòu)成交流斬波調(diào)壓電路。 圖1.5 交流斬控調(diào)壓的原理波形圖1.2 交流斬波調(diào)壓的框圖 圖1.6 總框圖第二章 單元電路設(shè)計2.1 主電路220V的交流通過插座J1、J2輸入電路。為了是電路在安全值之內(nèi)工作故首先電流經(jīng)過一個保險絲。然后經(jīng)過C1和L1和L2共模扼流線圈進行濾波以消除電網(wǎng)帶來的影響。交流經(jīng)過濾波后電流經(jīng)過主電路由Q1、Q2、Q3組成。D1和Q2以及Q1和D2是用來實現(xiàn)電流續(xù)流的。當(dāng)在電流的正半周的時候Q2導(dǎo)

10、通，然后通過D1續(xù)流。當(dāng)在負半周的時候就可以實現(xiàn)續(xù)流功能。R1、C2、D3、D4、C4、R7是用保護MOSFET的，作為吸收電路。當(dāng)Q3出于關(guān)斷的時候?qū)1、Q2根據(jù)是在交流的的正半周還是負半周將Q2或Q1導(dǎo)通。 圖2.1 主電路2.2 反饋電路TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。他的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。 2.2.1 封裝圖2.2 TL431的封裝和引腳分布TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好

11、、價格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同，如圖2.2（a）所示。同類產(chǎn)品還有圖2.2（b）所示的雙直插外形的。 2.2.2 主要參數(shù)三端可調(diào)分流基準源 可編程輸出電壓:2.5V36V 電壓參考誤差：±0.4 ，典型值25（TL431B） 低動態(tài)輸出阻抗:0.22(典型值) 等效全范圍溫度系數(shù)：50 ppm/（典型值） 溫度補償操作全額定工作溫度范圍 穩(wěn)壓值送從2.5-36V連續(xù)可調(diào)， 參考電壓原誤差+-1.0%， 低動態(tài)輸出電阻， 典型值為0.22歐姆， 輸出電流1.0-100毫安。 全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦， 典型值為50ppm， 低輸出電壓噪聲

12、。 封裝：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23 最大輸入電壓為37V 最大工作電流150mA 內(nèi)基準電壓為2.5V 輸出電壓范圍為2.536V 應(yīng)用領(lǐng)域: 電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)    圖2.3 TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TL431的具體功能可以用圖2.3的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個內(nèi)部的2.5V的基準源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同向端）的電壓非常接近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管圖1的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實

13、際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但可用于分析理解電路。 2.2.3 光耦采用PC817圖2.4 PC817的結(jié)構(gòu)圖1、基本信息品處理信號：數(shù)字信號 制作工藝：半導(dǎo)體集成 導(dǎo)電類型：雙極型 集成程度：小規(guī)模 規(guī)格尺寸：231（mm） 工作溫度：-4085（） 靜態(tài)功耗：3（） 2、主要特點PC817光電耦合器廣泛用在電腦終端機，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計。 1.電流傳輸比 (CTR: MIN. 50% at IF=5mA ,VCE=5V) 2.高隔離電壓:5000V有效值 3.緊湊型

14、雙列直插封裝,PC817為單通道光耦,PC827為雙通光光耦,PC837為三通道,PC847為四通道光耦. 3、主要參數(shù)光電耦合器 電流傳輸比：50%（最小值） 高隔離電壓：5000V（有效值） 符合UL標準 極限參數(shù) 正向電流：50mA 峰值正向電流：1A 反向電壓：6V 功耗：70mW 集電極發(fā)射極電壓：35V 發(fā)射極集電極電壓：6V 集電極電流：50mA 集電極功耗：150mW 總功耗：200mW 工作溫度：30 +100 集電極發(fā)射極飽和電壓：0.1V（典型值） 截止頻率：80kHz 電流傳輸比：50%600% 封裝：DIP-4輸出電壓經(jīng)過變壓器T2轉(zhuǎn)換成20V的交流然后經(jīng)過整流橋編程

15、直流。L4和C5和C6濾波之后給光耦提供電壓，同時通過R8和R20分壓為TL431提供電壓，該電壓與TL431內(nèi)部的電壓比較然后控制光耦的導(dǎo)通以及導(dǎo)通程度。R9是光耦PC817的限流電阻。R22和C14是TL431的補償電路。光耦PC817根據(jù)電流的大小使三極管導(dǎo)通的程度不一樣，這樣來反饋輸出電壓的大小。圖2.5 反饋電路2.3 過零檢測電路 為了是現(xiàn)在關(guān)斷的時候，、根據(jù)電流所處的正負半周交替導(dǎo)通就需要一個過零檢測電路以實現(xiàn)對和的正確觸發(fā)。通過變壓器進行降壓，若果在電流的正半周，工作，通過和限流使光耦工作。光耦的三極管工作。因為在三級管的集電極有上啦電阻所以的一個引腳是低電平，因為要在關(guān)斷的時

16、候開通所以與相或，輸出為低電平，再取反。輸出高電平用來驅(qū)動；若果在電流的負半周，工作，通過和限流使光耦工作。光耦的三極管工作。因為在三級管的集電極有上拉電阻所以的一個引腳是低電平，因為要在關(guān)斷的時候開通所以與相或，輸出為低電平，再取反。輸出高電平用來驅(qū)動圖2.6 過零檢測電路2.4 控制電路UC3842大多采用DIP-8封裝下圖為UC3842 內(nèi)部框圖和引腳圖，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤

17、差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端， 當(dāng)檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns 驅(qū)動能力為±1A ；腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；腳為5V 基準電壓輸出端，有50mA 的負載能力。圖2.7 引腳功能圖 圖2.8 UC3842 內(nèi)部原理框圖 UC3842是一種性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)較簡單的PWM開關(guān)電源集成控制器，由于它只有一個輸出端，所以主要用于音端控制的開關(guān)

18、電源。 UC3842 7腳為電壓輸入端，其啟動電壓范圍為16-34V。在電源啟動時，VCC16V，輸入電壓施密物比較器輸出為0，此時無基準電壓產(chǎn)生，電路不工作；當(dāng)Vcc16V時輸入電壓施密特比較器送出高電平到5V蕨穩(wěn)壓器，產(chǎn)生5V基準電壓，此電壓一方面供銷內(nèi)部電路工作，另一方面通過腳向外部提供參考電壓。一旦施密特比較器翻轉(zhuǎn)為高電平（芯片開始工作以后），Vcc可以在10V-34V范圍內(nèi)變化而不影響電路的工作狀態(tài)。當(dāng)Vcc低于10V時，施密特比較器又翻轉(zhuǎn)為低電平，電路停止工作。當(dāng)基準穩(wěn)壓源有5V基準電壓輸出時，基準電壓檢測邏輯比較器即達出高電平信號到輸出電路。同時，振蕩器將根據(jù)腳外接Rt、Ct參數(shù)

19、產(chǎn)生f=/Rt.Ct的振蕩信號，此信號一路直接加到圖騰柱電路的輸入端，另一路加到PWM脈寬市制RS觸發(fā)器的置位端，RS型PWN脈寬調(diào)制器的R端接電流檢測比較器輸出端。R端為占空調(diào)節(jié)控制端，當(dāng)R電壓上升時，Q端脈沖加寬，同時腳送出脈寬也加寬（占空比增多）；當(dāng)R端電壓下降時，Q端脈沖變窄，同時腳送出脈寬也變變窄（占空比減?。?。UC3842各點時序如圖所示，只有當(dāng)E點為高電平時才有信號輸出 ，并且a、b點全為高電平時，d點才送出高電平，c點送出低電平，否則d點送出低電平，c點送出高電平。腳一般接輸出電壓取樣信號，也稱反饋信號。當(dāng)腳電壓上升時，腳電壓將下降，R端電壓亦隨之下降，于是腳脈沖變窄；反之，腳

20、脈沖變寬。腳為電流傳感端，通常在功率管的源極或發(fā)射極串入一小阻值取樣電阻，將流過開關(guān)管的電流轉(zhuǎn)為電壓，并將此電壓引入境腳。當(dāng)負載短路或其它原因引起功率管電流增加，并使取樣電阻上的電壓超過1V時，腳就停止脈沖輸出，這樣就可以有效的保護功率管不受損壞。概述與特點UC3842是開關(guān)電源用電流控制方式的脈寬調(diào)制集成電路。與電壓控制方式相比在負載響應(yīng)和線性調(diào) 整度等方面有很多優(yōu)越之處。 該電路主要特點有： 內(nèi)含欠電壓鎖定電路 低起動電流（典型值為 0.12mA） 穩(wěn)定的內(nèi)部基準電壓源 大電流推挽輸出（驅(qū)動電流達 1A） 工作頻率可到 500kHz 自動負反饋補償電路 雙脈沖抑制 較強的負載響應(yīng)特性 圖2

21、.9 控制電路第三章 故障分析與電路改進、實驗及仿真設(shè)計中的注意事項：1、起動電路的設(shè)計電路中電容C12儲存的能量要能滿足電源開始正常 工作的需要，使得UC3842第7腳有穩(wěn)定、充足的輸入供給。即電容C12的放電時間要大于UC3 842輸出脈沖的高電平持續(xù)時間。否則，電源將出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。因此，電容C2的容量和 質(zhì)量的選取非常重要。筆者在實際設(shè)計過程中，C12曾用100F鋁電解電容，經(jīng)常發(fā)現(xiàn) 電源打嗝；測量反饋端電壓，總是太低，以至于反饋端的整流二極管都沒有工作，說明反饋 端電壓幅度不夠。原因在于C12容量不夠，不能提供足夠的能量來使UC3842充分工作，因此 ，容量最好在100F以上。2、反饋

22、繞組的設(shè)計當(dāng)UC3842啟動后，若反饋繞組不能提供足夠的UF，電路就會不停地起動 ，出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。另外，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，若UF大于17.5V時， 也會引起UC3842工作異常，導(dǎo)致輸出脈沖占空比變小，輸出電壓變低。故而反饋繞組匝數(shù)的 選取及其纏繞是非常重要的，一般可按1315V設(shè)計，使UC3842正常工作時，7腳的電壓維持 在13V左右。UC3842為固定工作頻率脈寬調(diào)制方式，輸出電壓或負載變化時僅調(diào)整占空比，控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間。反饋電壓輸入2腳，此腳電壓與內(nèi)部2.5V基準進行比較，產(chǎn)生控制電壓，從而控制脈沖寬度；輸出脈沖的頻率由4腳外接定時電阻Rt及定時電容Ct決定，f 的單位取k，Ct取F。3腳為電感電流傳感器端，當(dāng)取樣超過1V時，縮小導(dǎo)通脈寬，使電源處于間隙工作狀態(tài)；6腳，輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅50ns，驅(qū)動能力為±1A；7腳，供電輸入，起振后工作電壓為1013V，低于10V停止工作，功耗為15mW；8腳，內(nèi)部基準5V(50mA)。3、過流保護原理當(dāng)負載電流超過額定值或短路時，場效應(yīng)管電流增加，R16上的電壓反饋至3腳(電壓大于1V)，通過內(nèi)部電流放大器使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使UC3842停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應(yīng)管截止，達到保護功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動恢